Лабораторная работа №1 - Биполярные транзисторы

Теория

Биполярные транзисторы - это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления сигнала. Помимо биполярных транзисторов существуют ещё и полевые, но о них в следующий раз.

Существует два основных вида биполярных транзисторов:

1. NPN структуры;
2. PNP структуры.

Главным отличием между ними являются носители заряда, а следовательно, полярность включения его в схему. Причём, если схема содержит транзисторы только одного типа, то можно спокойно менять PNP на NPN и наоборот, только полярность подключения источника питания надо менять на противоположную.

Ну и конечно необходимо привести УГО биполярных транзисторов на схемах (рис. 1):

Рис. 1 - УГО биполярных транзисторов на схемах: а) PNP транзистор; б) NPN транзистор. Буквами возле выводов обозначены названия этих самых выводов: К - коллектор, Б - база, Э - эмиттер.

Любой биполярный транзистор имеет три вывода: Б (B) - базу; К (C) - коллектор и Э (E) - эмиттер. Пока данная информация нам особо не к чему, но раз на УГО выводы подписаны, то необходимо разъяснить что же эти буквы значат.

С точки зрения теории, биполярный транзистор - это источник тока, управляемый током. Причём ток на выходе определяется по формуле:

где β - коэффициент усиления транзистора (для современных транзисторов варьируется от 10 до 10000), Iбэ - ток база-эмиттер, Iкэ - ток коллектор-эмиттер.

Основные параметры транзистора:

• β - коэффициент усиления транзистора по току, иногда его выражают в H-параметрах, а именно - h21;
• Uкэ макс - максимальное напряжение коллектор-эмиттер;
• Iк макс - максимальный ток коллектора;
• Uбэ макс - максимальное напряжение перехода база-эмиттер;
• f макс - граничная частота (это частота, где β = 1), да, коэффициент усиления падает с ростом частоты. В зависимости от типа транзистора, граничная частота может варьироваться от единиц МГц, до десятков ГГц.

Ну и на последок в блоке теории напомню, что биполярный транзистор, как и многие другие полупроводниковые приборы - штуки крайне нелинейные, особенно, если учитывать, что биполярный транзистор - это буквально два встречно включенных диода (утрирование, но по факту так и есть, только диоды не обычные) (рис. 2).

Рис. 2 - Тут показано примерное строение биполярных транзисторов. Эмиттер во всех транзисторах на практике имеет несколько меньший размер - это нужно для улучшения усилительных свойств. Иначе биполярочка - физика не знает, где эмиттер, а где коллектор.

Практика

Ну а теперь практика. Для всех экспериментов будем использовать симулятор MicroCAP. В качестве подопытного транзистора будет аналог КТ315 - BC547.

Изучаем транзистор

Первым этапом лабораторной работы измерим коэффициент усиления транзистора по току в статике. Схема для моделирования показана на рисунке 3.

Рис 3 - Схема для моделирования

Запускаем расчёт по постоянному току (Dynamic DC) (рис. 4).

Рис. 4 - Ток коллектора составил примерно 298 мА

Согласно формуле, которая была приведена ранее, коэффициент усиления транзистора составил примерно 298. Для BC547 коэффициент усиления лежит в диапазоне от 100 до 800 в зависимости от конкретной модели, так что параметр в норме.

Далее посмотрим зависимость тока базы от напряжения на базе. Для этого заменим источник тока на источник напряжения (рис. 5).

Рис. 5 - Схема для измерения зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер

А на рисунке 6 показана сама зависимость. Снимается она в режиме анализа DC.

Рис. 6 -Заисимость тока базы от напряжения база-эмиттер

Как видно - это обычная ВАХ диода, для кремниевых транзисторов порог срабатывания составляет примерно 0,4 - 0,6 В. Для германиевых - 0,2 - 0,3 В.

А на рисунке 7 показана зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер.

Рис. 7 - Зависимтость тока коллектора от напряжения на переходе база-эмиттер

В общем, как видно, биполярный транзистор - штука крайне нелинейная, но с заявкой на линейность. Как видно из рисунков 6 и 7, хотя ВАХи имеют экспоненциальный вид, на которой есть участки, где можно сделать приближение к линейной функции (линейные участки ВАХ).

В зависимости от используемых в работе участков ВАХ транзистора различают следующие режимы работы:

1. Линейный режим работы - работа на линейном участки ВАХ, используется чаще всего в линейных малошумящих усилителях.
2. Нелинейный режим работы (с отсечкой) - работа транзистора с заходом на нелинейный участок ВАХ. Такой режим работы используется в ключевых схемах, нелинейных усилителях и пр.

Маленькая ремарка. Все этапы моделирования будут проводится в нормальных условиях, то есть при комнатной температуре. Биполярные транзисторы мало того, что нелинейны, так ещё и все их параметры неплохо так от температуры "плавают". Поэтому в реальных схемах часто встречаются всякие способы термокомпенсации или термостабилизации чувствительных узлов на транзисторах.

Строим первый усилитель - усилитель с общим эмиттером

Вообще схем включения транзистора существует всего 3: с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. Каждая из них имеет свои особенности.

Как вообще так получилось, что схем включения три? Вроде как база - вход, коллектор, эмиттер - выходы. А вот так. Теория четырёхполюсников говорит о том, что раз усилительный элемент трёхполюсник (у транзистора три вывода), то один из его выводов можно подключить ко входу и выходу одновременно (общий провод) - и абсолютно без разницы как он называется и что делает - математика она сурова, всё стерпит.

Ну а начнём эпопею с простейшего усилителя с общим эмиттером (рис. 8). Параметры для будущего усилителя следующие:

• Входное сопротивление - 50 Ом;
• Выходное сопротивление - 50 Ом;
• Напряжение питания - 5 В.

Да, будем делать усилительный кубик, ведь главная особенность усилителя с общим эмиттером - это максимальное усиление по мощности, в чём мы сейчас и убедимся.

Но прежде, чем строить усилитель, нужно рассчитать элементы обвязки, для этого воспользуемся формулами с сайта vpayaem.ru.

Рис. 8 - Схема с общим эмиттером (взято с сайта vpayaem.ru)

Также на сайте есть готовый калькулятор, в который можно ввести желаемые параметры и он рассчитает номиналы компонентов, но на практике всё равно придётся подстраивать схему под конкретную модель транзистора. Готовый расчёт по калькулятору приведён на рисунке 9.

Рис. 9 - Готовый расчёт по калькулятору

Входное сопротивление получилось порядка 470 Ом, можно подсогласовать параллельным резистором в 56 Ом. На рисунке 10 показана эта же схема в симуляторе MicroCAP. Все резисторы взяты из стандартного ряда Е24.

Рис. 10 - Схема в симуляторе MicroCAP

Сначала проведём моделирование в статике, для того чтобы посмотреть рабочие точки транзистора (рис. 11).

Рис. 11 - Моделирование по постоянному току

Как видно, на коллекторе на постоянном токе имеется напряжение 1,649 В, что почти на вольт меньше половины напряжения питания. Для малосигнального усилителя это не критично, так как в любом случае амплитуды сигналов будут сильно меньше половины напряжения питания (это если мы говорим про радиоприёмники, микрофонные усилители и прочие).

Но можно немного скорректировать номиналы, чтобы было всё идеально. Так как 1,649 В меньше 2,5 В, то нужно уменьшить напряжения на базе NPN транзистора. Это делается например уменьшением сопротивления R2.

На рисунке 12 показана немного скорректированная схема.

Рис. 12 - Скорректированная схема

Далее запустим анализ во временной области (Transient) и посмотрим на работу усилителя. Вход и выход усилителя обозначены "in" и "out" соответственно. На рисунке 13 показаны графики сигналов на входе и выходе.

Рис. 13 - Сигналы на входе и выходе схемы. Красный - вход; синий - выход

Что-то да усиливает. Насколько хорошо - пока сложно оценить, но сигналы без видимых искажений и находятся в противофазе друг относительно друга. Это главная особенность усилителя с общим эмиттером - он вращает фазу сигнала на 180 градусов. Поэтому на основе этого свойства часто строят самые различные автогенераторы с помощью специальных положительных обратных связей. Но это не единственный способ. Автогенератор можно построить и на других включениях транзистора.

Далее давайте снимем нагрузку с выхода усилителя и посмотрим сигнал без нагрузки по выходу (рис. 14).

Рис. 14 - Амплитуда сигнала на выходе очевидно стала больше

Чтобы не гадать на кофейной гуще и сразу оценить широкополосность усилителя, сделаем моделирование АЧХ через режим расчёта по переменному току. На рисунке 15 показана АЧХ усилителя на нагрузке 50 Ом.

Рис. 15 - Моделирование АЧХ усилителя, масштаб по оси частот логарифмический

Как видно максимальный коэффициент усиления под нагрузкой составил 6 дБ, что очень мало, ведь для коэффициента усиления 10 он должен равняться 20 дБ (Эта величина выбрана не случайной, все стандартные ВЧ усилители имеют усиление в 20 дБ). А вот ФЧХ говорит о том, что в среднем разность фаз составляет 180 градусов. А максимальная рабочая частота по уровню -3 дБ от максимума АЧХ составляет примерно 47 МГц.

Теперь снимем нагрузку с усилителя (рис. 16).

Рис. 16 - АЧХ усилителя в режиме без нагрузки

И максимум АЧХ увеличился ровно на 6 дБ! А это значит, что выходное сопротивление усилителя составляет примерно 50 Ом. Теперь аналогичным образом определим входное сопротивление усилителя. Для этого сделаем источник сигнала идеальным - с нулевым выходным сопротивлением (рис. 17).

Рис. 17 - А вот наши заветные 20 дБ усиления

Таким образом 12 дБ потерялись на согласованиях нагрузок: 6 дБ на входе и 6 дБ на выходе. В переводе в разы - это составит 4 раза. Поэтому давайте скорректируем расчёт и схему, чтобы при полном согласовании наша схема давала усиление в 20 дБ (рис. 18).

Согласование - это передача максимальной мощности от источника к нагрузке, при этом напряжение на нагрузке согласно формуле делителя напряжения составит ровно половину от режима холостого хода. Поэтому на входе и выходе сигнал поделился по полам. В режиме согласования не происходит потери мощности на отражения.

Рис. 18 - Параметры схемы с учётом всех нюансов

А вот в этот раз калькулятор наврал прилично. Пришлось много элементов подбирать. Вообще все обобщённые калькуляторы имеют большой разлёт по точности, ведь для высокой точности нужно знать параметры конкретного транзистора. Но в целом он позволяет прикинуть, от чего стоит отталкиваться. А вот что получилось на самом деле показано на рисунке 19.

Рис. 19 - Вот такая схем в итоге вышла.

Коэффициент усиления составил по итогу с учётом всех согласований - 16 дБ (рис. 20).

Рис. 20 - АЧХ с учётом всех согласований

А вот предельная частота с учётом роста усиления значительно уменьшилась: до 17 МГц, что на 30 МГц меньше, чем было. Причём, если сделать сопротивление источника около нулевым, то АЧХ резко выпрямляется (рис. 21).

Рис. 21 - АЧХ резко выпрямилась

Тут явно есть утечка со входа куда-то, и она просаживает входной сигнал. А просаживает здесь не что иное, как эффект Миллера.

Эффект Миллера - это эффект умножения ёмкости перехода коллектор-база на коэффициент усиления схемы по напряжению. Связано это как раз с разворотом фазы сигнала на 180 градусов. На рисунке 22 показан слайд из презентации с не большим описанием процесса.

Рис. 22 - Вот так мы из нескольких пикофарад получаем несколько десятков пикофарад.

Штука крайне неприятная. Есть некоторые способы борьбы с ней. Но об этом позже.

Эмиттерный повторитель - схема с общим коллектором

Если переместить нагрузку с коллектора в эмиттер, а коллектор соединить с питанием - то получим классический эмиттерный повторитель. Особенность данной схемы в том, что напряжение на выходе равно напряжению на входе "минус" потери, что составляет порядка 1 В в силовых схемах. К тому же эта схема не создаёт разности фаз. Схема приведена на рисунке 23.

Рис. 23 - Классический эмиттерный повторитель

Основной задачей эмиттерного повторителя - это снижение сопротивления источника сигнала, то есть усиление по току.

Самым распространённым вариантом схемы является использование в выходном каскаде стабилизатора напряжения, как регулирующий элемент.

Ещё есть двухтакатная схема на NPN и PNP транзисторах - такая используется в выходных каскадах усилителей мощности звуковой частоты (рис. 24).

Рис. 24 - Двухтактный эмиттерный повторитель

Ну и как всегда переходим к моделированию. А для этого схему нужно посчитать. Для этих целей возьмём калькулятор с уже известного нам сайта. Ну и схема для расчёта показана на рисунке 25.

Рис. 25 - Схема для расчёт эмиттерного повторителя

На рисунке 26 показаны результаты расчёта калькулятором.

Рис. 26 - Вот что насчитал калькулятор

В этот раз попробуем согласовать источник сигнала с внутренним сопротивлением 1 кОм с нагрузкой 50 Ом.

Рис. 27 - Схема эмиттерного повторителя

На рисунке 28 показан результат работы схемы.

Рис. 28 - Сигнла на входе и выходе схемы

Как видно усиление по напряжению меньше "1", что норма. В реальности усиление по напряжению всегда меньше "1". Зато усиление по току присутвует (рис. 29).

Рис. 29 - Токи на входе и выходе схемы

Усиление по току есть, и оно явно большое. Давайте изучим его АЧХ (рис. 30).

Рис. 30 - АЧХ и ФЧХ схемы

Из рис. 30 хорошо виден спад АЧХ после частоты 8 МГц. Уровень - 3 дБ наблюдается на частоте 8,5 МГц, что даёт схожий результат со схемой ОЭ. Зато сдвиг фаз у этой схемы намного меньше и обусловлен различными паразитными ёмкостями.

В схемах ОУ часто применяется вариант подключения ОЭ - ОК, то есть вначале стоит каскад с общим эмиттером, а потом с общим коллектором. Такой подход позволяет несколько расширить полосу частот, а также увеличить входное сопротивление (рис. 31).

Рис. 31 - Подавление эффекта Миллера с помощью каскада ОЭ - ОК

А вообще эмиттерный повторитель много где используется, так как позволяет с лёгкостью сделать повторитель напряжения с усилением по току: стабилизаторы напряжения, усилители мощности и тд.

Схема с общей базой

А что, если базу подключить на общий провод? И как выжать из транзистора максимум? Правильный ответ - схема с общей базой (рис. 32).

Рис. 32 - Схема с общей базой

Звучит как бред, но это работает и имеет пару интересных особенностей:

1. Ток на входе и выходе схемы одинаков;
2. Данный усилитель является усилителем по напряжению и работает только тогда, когда R3 > R1. Поэтому часто встречается в усилителях для динамических микрофонов, звукоснимателей и во входных каскадов приёмников с магнитными антеннами.
3. Все паразитные ёмкости зашунтированы, а суммарная ёмкость Cк и Cэ мала, входное сопротивление низкое - это даёт просто прекрасную широкополосность усилителя.

В данном случае попробуем построить усилитель с преобразованием сопротивления 50 Ом. Для расчётов воспользуемся уже знакомым сайтом (рис. 33).

Рис. 33 - Результат расчёта

Ну и соберём схему (рис. 34).

Рис. 34 - Схема с ОБ

Её АЧХ и ФЧХ представлены на рис. 35.

Рис. 35 - АЧХ и ФЧХ схемы с общей базой

Тут получается коэффициент усиления порядка 26 дБ, а по уровню 20 дБ можно дотянуть до 40 МГц. В целом тут мы во многом упираемся в используемый транзистор. Хоть граничная частота - 300 МГц, реально коэффициент усиления начнёт сильно падать уже со 100 МГц. Ведь граничная частота - это частота единичного усиления. Да и в целом он не очень для высокочастотного малошумящего усиления (высокий коэффициент шума (Noise Figure) = 10 дБ, высокие ёмкости переходов).

Если хочется ВЧ широкополосности, то существует каскодная схема. Именно каскодная (рис. 36).

Рис. 36 - Каскодная схема ОЭ - ОБ

Идея тут проста - каскад с общим эмиттером снижает сопротивление источника сигнала, при этом коэффициент усиления по напряжению равен 1, а вот основное усиление создаёт каскад с общей базой. Такой подход позволяет избавиться от эффекта Миллера и улучшить частотные характеристики усилителя.

Заключение

В целом для общего конструирования простых усилителей можно пользоваться сайтами с готовыми калькуляторами, но лучше обращаться к специализированной литературе ("Искусство схемотехники", книгам издательства "Массовая радиобиблиотека" и тд). Ну и нужно понимать основы электроники.

Из рассмотренных схем самой популярной является схема с общим эмиттером, далее по популярности следует схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Схема с общей базой используется исключительно в высокочастотных каскадов радиоприёмников, и то в современной схемотехнике вытесняется готовыми микросхемами (микросхемы малошумящих усилителей), которые содержат в себе ВЧ транзистор и схему согласования.

Ну и если сильно хочется, то на относительно низкочастотных транзисторах в каскодном включении можно построить ВЧ усилитель, магии тут не будет, но условный КТ-315 можно попробовать загнать на УКВ (88 - 108 МГц), хотя особого смысла нет (уж больно он сильно шумит). Тогда уж КТ-3102, но там граничная частота 150 МГц явно даст о себе знать. Поэтому проще сразу делать на КТ-368.